Переработка отходов сельскохозяйственных
производств
ГУМУС
(от лат. humus — земля, почва), перегной, темноокрашенное органических вещество почвы, образующееся врезультате биохимического разложения растительных и животных остатков, устойчивое к микробномуразложению и накапливающееся в верхнем почвенном горизонте. От количества гумуса зависит плодородиепочвы.
(от лат. humus - земля, почва), перегной - образовавшиеся в процессе биохимических превращений веществмортмассы (как растительного, так и животного происхождения) гуминовые н фульвокислоты. Придает почветемную окраску, обладает значительной стойкостью, а гуминовые кислоты - плодородием. Вместе сбиомассой и мортмассой составляет основную массу органических, веществ в ценоэкосистемах и являетсясвоеобразным депо этих. веществ и заключенной в них энергии. В биостроме планеты содержится (Ковда, 1973) около 2,4 • 1012 т гумуса с 1,3 • 1019 ккал энергии (54,3 • 1020 дж).
В переводе с латыни «гумус» — это не что иное, как почва. И этим все сказано: без гумуса почвы просто не существует. И хотя в современной аграрной науке придуманы способы выращивания растений без почвы (на искусственных грунтах, на гидропонике), большая часть растениеводов имеют дело именно с естественными почвами, в состав которых обязательно входит гумус.
Гумус – это органическое вещество, источник корневого питания для растений. Оно является продуктом разложения останков живых существ – растений, животных, микроорганизмов.
Гумус состоит из ряда компонентов, каждый из которых играет свою роль в почвообразовании и питании растений. Это гумусовые кислоты, гуминовые кислоты, гумин и другие компоненты. Вещества, составляющие гумус, имеют темный цвет – отсюда и цвет почвы. Чем больше гумуса, тем темнее окрашена земля, тем более она плодородна. Самыми ценными всегда считались черноземы – почвы, в которых содержание гумуса особенно велико.
Органическое вещество почвы, образующееся в результате разложения растительных и животных остатков, атакже продуктов жизнедеятельности организмов и синтеза гумусовых органических веществ микроорганизмами, детрит экосистемы.
- основа плодородия почвы. Количество Г. в почве поддерживаетсядвумя противоположно направленными микробиологическими процессами: гумификацией (анаэробныйпроцесс превращения остатков животных и растений в Г.) и минерализацией (аэробный процесс разрушенияГ. до простых органических и минеральных соединений). В почвах естественных экосистем эти процессынаходятся в равновесии.
Разные типы почв различаются по содержанию Г. в верхнем слое, который называется гумуснымгоризонтом, и мощностью этого горизонта. Наиболее богаты Г. черноземы, содержание Г. в которых можетдостигать 10%(в прошлом в отдельных районах РФ и Украины оно достигало 16%), а мощность гумусовогогоризонта - 1 м. Наиболее бедны Г. подзолистые и каштановые почвы. Мощность гумусового горизонта у нихсоставляет 5-15 см, а содержание Г. - 1-2%. Переходное положение между подзолистыми почвами ичерноземами занимают серые лесные почвы (их разделяют на светло-серые, серые и темно-серые), а междучерноземами и каштановыми - темно-каштановые.
Очень богаты Г. почвы влажных местообитаний - луговыеи влажнолуговые почвы.
Запасы Г. в основных типах почв РФ (в однометровом слое, т/га) составляют:
тундровые почвы - 73,
подзолистые - 99,
серые лесные - 215,
черноземы - 500,
каштановые - 160,
пустынные серо-бурые - 40.
Плодородие земли, при современных методах ведения сельскохозяйственного производства, зависит не только от содержания гумуса. Широкое применение химических удобрений существенно влияет на ее эффективность. Но это, возможно, лишь при умелом их применении и правильном сочетании. Большое и частое внесение удобрений способствует ускоренному разложению гумуса, что на начальном этапе даст значительный рост урожайности – до 2 раз.
Но, со временем, пополнение его объемов сократится и внесение удобрений не приведет не только к росту плодородия, но и к его существенному уменьшению. В почве, а вместе с этим и в сельскохозяйственных культурах, будут накапливаться пестициды, нитраты и другие, вредные и отравляющие вещества, которые в скором времени попадут и в организм человека.
Чем полезен гумус?
Гумус имеет решающее значение для качества почвы, и вот почему:
-
в гумусе содержатся питательные вещества, необходимые растениям. Это 99 процентов всего азота, 60 процентов фосфора и 80 процентов, содержащихся в земле. Процессы, протекающие в почве, приводят к тому, что вещества из гумуса становятся наиболее доступны для растений;
-
гумус создает саму структуру почвы. Без гумуса почвы оставалась бы бесплодным песком или глиной. Гумус склеивает минеральные частички, благодаря чему формируются знакомые нам комки земли. В такой субстанции хорошо удерживается влага, необходимая того, чтобы питательные элементы всасывались и усваивались растениями;
-
гумус делает грунт более рыхлым, насыщенным воздухом, а без кислорода невозможно корневое дыхание растений и жизнь обитателей верхнего слоя почвы;
гумус нагревает почву. В гумусе постоянно протекают химические реакции, в ходе которых выделяется тепло. Кроме того, гумус имеет темный цвет, поэтому поглощает солнечные лучи.
Как образуется гумус?
Гумус формируется из останков организмов, которые разлагаются под воздействием определенных факторов. В переработке этих субстанций принимают участие бактерии, грибы и дождевые черви. Микроорганизмы и грибы способны усваивать органические компоненты и перерабатывать их в более простые соединения – элементы гумуса. Существует огромное разнообразие почвенных микроорганизмов, образующих гумус.
В последние десятилетия искусственному выращиванию и использованию этих бактерий для улучшения почв уделяют огромное внимание.
Дождевые черви поедают частички почвы вместе с растительными остатками и бактериями, переваривают их. Экскременты червей и являются собственно гумусом. И если один червь вырабатывает крошечное количество ценной органики, то все они в совокупности формируют огромную биомассу, существенно влияющую на содержание гумуса и качество почвы.
Как повысить содержание гумуса?
Зная о том, что такое гумус, можно понять, как повысить его количество – например, на своем огороде. Для этого следует:
- не выбрасывать, а компостировать или закапывать растительные остатки – питание для микроорганизмов и червей;
- использовать органические удобрения – торф, навоз, перегной и другие;
- поддерживать численность почвенных бактерий. Для этого можно использовать специальные биопрепараты (ЭМ-препараты), имеющиеся в продаже, а также хорошо «кормить» микроорганизмы, внося в землю растительные остатки;
- привлекать дождевых червей. Эти труженики любят рыхлую, влажную почву. Для питания им также нужна органика;
- использовать готовый гумус промышленного производства.
Он называется биогумусом и является продуктом вермикомпостирования с участием червей и микроорганизмов.
На обычных почвах гумус быстро усваивается растениями и разрушается, что приводит к снижению плодородия. Чтобы земля была «живой», с большим содержанием ценного гумуса, нужно постоянно заботиться о ней, внося органику и поддерживая жизнь наших «помощников» — микроорганизмов и червей.
Пищевая цепь и появление гумуса
Образование гумуса является частью пищевой цепи биосистемы и происходит в соответствии с ее правилами. Пищевая цепь – это взаимоотношения между организмами, в данном случае микробов, грибов и животных, выраженные в поедании одних другими и сопровождающиеся передачей вещества и энергии. Энергия при передаче по пищевой цепи теряется и потому цепь, обычно, не превышает 5 звеньев.
Начинают пищевую цепь микроорганизмы, которые могут переработать такие органические соединения как сахар, крахмал и тому подобное, то есть легкодоступные. Более сложные соединения, как целлюлозу, жиры, растительные белки и так далее, «поедают» микробы и организмы, обладающие более сильным набором ферментов. Сюда же относят и грибы, которые могут «переварить» любые органические соединения растительного происхождения.
Все эти организмы не имеют пищеварительных органов и питаются, всасывая растворенные под действием их ферментов вещества всем своим телом. Эти организмы растут и увеличивают свою численность, но все полученные вещества на это не расходуются. Эти неиспользованные вещества соединяются и превращаются в гуминовые и фульвокислоты. Последние вступают в реакцию и веществами неорганической природы и создают соли, которые являются первичным гумусом.
Химические и физические свойства образовавшегося первичного гумуса, состоящего из органических соединений – кислот и неорганических – солей, зависит от состава органических остатков подвергшиеся переработке на этом этапе.
Теперь наступает время включиться в пищевую цепь почвенным животным, в том числе и кольчатым червям. Они поглощают микробов вместе с землей. В их пищеварительной трубке происходит переваривание, благодаря ферментам своего организма, способным расщеплять белок уже животного происхождения. Объем проходящей за сутки белковой и почвенной массы может быть равным их весу. Кроме микробов, черви в процессе питания заглатывают и растительные останки, которые также могут переваривать.
Не весь объем переваренных веществ идет на рост и увеличение количества червей и других организмов на этом этапе пищевой цепи. Часть пищи не усваивается, попадает обратно и соединяется с минеральной ее частью в еще более сложные образования. Расширяется состав, впоследствии образуется биогумус, который отличается по химическим характеристикам от первичного материала.
Значение и содержание гумуса в разных составах почв
В гумусе находится до 99% азота почвы, 60% фосфора, до 80% серы, другие микроэлементы. Но эти питательные вещества недоступны для растений, и становятся пищей для них лишь после разложения, когда выделяется углекислота – источник их воздушного питания.
Содержание гумуса в почве имеет значение не только для ее плодородия.
Он склеивает пылевые частицы в водопрочные комочки, тем самым укрепляя ее структуру. Чем его больше, тем прочнее почва, меньше подвержена эрозии и температурным колебаниям, больше может удержать воздуха, влаги и питательных веществ.
Он обладает свойством связывать отравляющие вещества, такие как соли тяжелых металлов, радионуклиды, ароматические углероды и другие, которые появляются в процессе производственной и иной хозяйственной деятельности человека. Это главное защитное или экологическое его свойство. Связанные таким образом они «консервируются» и не попадают в организмы живых существ и человека.
Содержание гумуса в почве существенно различается. Наибольшее его количество в черноземах. Оно может достигать 10%. В тяжелых – до 2,5%, подзолистых и дерновых его до 1,5%, а в тундрах и пустынях и того меньше. Богаты им, как правило, влажные почвы, так как вода сдерживает поступление кислорода, и он медленнее разлагается. Например, торфяники имеют около 90% в своем составе органических остатков и гумусовых веществ.
Количество энергии, сосредоточенное в нем на 1 га земли можно сравнить с 50 тоннами бензина, а если это чернозем, то с 250 тоннами.
Что такое гумус и как он образуется?
Состав, продукты и степень гумификации
В состав гумуса входят органические вещества. Характеризуется состав их количественным и групповым выражением. Это огромное количество разнообразных соединений углерода: ферменты или белки – катализаторы, витамины, пигменты, гормоны, экстрактивные вещества и многие другие.
Эти органические вещества связаны с минеральной частью почвы. По формам этих связей определяют фракционный его состав.
В ней остаются продукты жизнедеятельности организмов, растительных и животных, а также их остатки.
Это темноокрашенные органические соединения, которые подвергаются гумификации и подразделяются на группы: гидрофобные и гидрофильные.
Кроме того, эти органические соединения, появившиеся в процессе гумификации, являются кислотами и называются гумусовыми. Это высокомолекулярные азотосодержащие оксикислоты с бензоидным ядром. Они есть: гуминовые, гематомелановые и фульвокислоты.
Гуминовые растворимы в щелочах и нерастворимы в кислотах.
Гиматомелановые – в этаноле, а фульвокислоты – в воде, щелочах и кислотах. Особняком стоит такое органическое вещество, как гумин, который не растворим ни в кислотах, ни в щелочах, ни в органических растворителях.
Количество углерода лежит в основе определения степени гумификации. Он определяется как соотношение массы долей углерода в гумусовой кислоте к общему его количеству в почве.
Действительно, сегодня мы находимся не в самой лучшей экологической обстановке. Нам не хватает витаминов, минералов, микроэлементов, мы отравлены воздухом больших городов, нас атакуют микробы и аллергены, не говоря уже о вредных привычках. А самое главное, сегодня мы не можем надеяться на наши продукты питания. Особенно это касается овощей и фруктов. Почвы для выращивания сельскохозяйственных культур по всему миру истощены. И только жизненная сила богатых минералами древних почв все еще сохраняется в глубинных слоях земли в виде гуминовых веществ. С приходом новых биотехнологий она стала нам доступна.
Из чего состоят гуминовые кислоты
Гуминовая кислота – это большая, длинная цепь молекул, которая может быть выделена в виде гумата из угля, слоя почвы, растительного сырья. Ее неотъемлемым компонентом является фульвовая кислота, свойства которой иногда рассматривают отдельно.
Комплекс гуминовой и фульвовой кислот – чрезвычайно мощная комбинация для оздоровления организма. Он обладает высокой биодоступностью. Его состав содержит полный спектр минералов, аминокислот и микроэлементов. В их числе природные полисахариды, пептиды, до 20 аминокислот, витамины, минералы, стерины, гормоны, и другие. Всего около 70 полезных компонентов.
Такое насыщенное полиморфное строения обуславливает многообразие положительных биологических эффектов гуминовых кислот.
Факт: обнаружено, что гуминовые кислоты способны менять структуру воды, превращая ее в «талую». Как известно, талая вода обладает целебным воздействием на живые организмы. Вода в тканях человека тоже имеет структуру талой.
Биологические свойства гуминовых кислот
Гуминовые вещества – органические соединения сложной физико-химической структуры, широко распространенные в природе. Гуминовые соединения в окружающей среде выполняют функции естественных детоксикантов и адаптогенов, обладают большим спектром биологического действия, экологически чистые и безопасные в применении. В России гуминовые кислоты и их соли, начиная с 60-х годов ХХ века, с хорошим результатом апробировались на животных, повышая устойчивость организма к условиям среды. Многочисленные исследования последних лет в России и за рубежом позволяют считать гуминовые кислоты ценным лекарственным сырьем.
Некоторые биохимические характеристики гуминовых кислот
Для гуминовых веществ характерны нестереохимичность состава, нерегулярность строения, гетерогенность структурных элементов и полидисперстность. Это молекулярный комплекс, наиболее реакцинно-способной компонентой которого являются гуминовые и фульвовые кислоты, активно участвующие в биохимических процессах. Структурные единицы гуминовых кислот представляют собой ароматические конденсированные системы с боковыми цепями и гетероциклами. Функциональными группами являются карбоксильные, карбонильные, фенольные и спиртовые гидоксиды, хиноидные группировки, метоксилы, амино- и аминдогруппы, моно-, ди-, полисахариды, пептиды, до 20 аминокислот, витамины, минеральные компоненты. Такая полиморфность строения обуславливает разнообразие положительных эффектов гуминовых кислот на организм, поскольку, если одни молекулы вещества не могут участвовать в химических и физиологических процессах, то всегда найдутся другие, подходящие для таких процессов по размерам и свойствам.
Гуминовые кислоты обладают разносторонним связывающим потенциалом. Благодаря карбоксильным, карбонильным и ароматическим фрагментам гуминовые кислоты вступают в ионные, донорно-акцепторные и гидрофобные взаимодействия. Таким образом, они способны связывать различные классы экотоксикантов, образуя комплексы с металлами и соединения с различными классами органических веществ. Тем самым они являются своеобразными посредниками, смягчающими действие токсинов на живые организмы.
Механизмы действия гуминовых кислот
Несмотря на вариабельность функциональных групп, все гуминовые кислоты обладают набором сходных свойств, позволяющих им действовать по общим механизмам:
- активация нуклеинового и белкового обмена;
- усиление и нормализация энергетического обмена клетки;
- влияние на систему синтеза белка за счет редепрессии соответствующих участков генома;
- триггерные эффекты;
- мембранная активность;
- транспорт электронов в электронных транспортных цепях митохондрий;
- активация окислительного фософорилирования;
- ионный обмен;
- комплексообразование;
- сорбционная способность.
Наиболее известными и хорошо доказанными свойствами гуминовых кислот является их сорбционная способность и безопасность применения. Можно с уверенностью сказать, что эти качества являются их визитной карточкой. Тем не менее, исследования показали, что гуминовые кислоты обладают гораздо более широким спектром благоприятного терапевтического действия, на чем мы остановимся ниже.
Биологические эффекты гуминовых кислот
Установлено, что гуминовые кислоты способны эффективно интенсифицировать обменные процессы в живом организме. Как показали опыты in vitro на митохондриях печени крысы, в их присутствии ускоряются окислительно-восстановительные процессы, улучшается газообмен в тканях, увеличивается скорость свободно-радикального окисления. Кислоты низкого молекулярного веса (фульвовая кислота) активно связывают свободные радикалы.
Широкий состав органических кислот гуминовых веществ помогает расщеплять частицы пищи в желудочно-кишечном тракте, дополнительно к действию ферментов, гуминовые кислоты угнетают рост патогенных бактерий в желудочно-кишечном тракте, улучшают переваривание белка и усвоение кальция, микроэлементов, питательных веществ. Они имеют свойство образовывать пленку на слизистой оболочкев желудочно-кишечном тракта, защищающую организм от инфекций и токсинов.
При этом, благодаря снижению патологической импульсации с периферических нервных окончаний кишечника, происходит восстановление его нормальной перистальтики и тонуса.
В отличие от общеизвестных адсорбентов (активированный уголь или определенные силикаты и минералы глины), которые лежат на слизистой компактными конгломератами, гуминовые кислоты свободно проскальзывают между ворсинками эпителия кишечника и проникают между клетками эпителия, где защищают эти чувствительные ткани от повреждения вирусами и вероятности некротизации. При этом между возбудителями инфекции, их токсинами и эпителием слизистой образуется плёнка из тончайших частиц гуминовой кислоты, защищающая воспалённую ткань эпителия и комплекс лимфатических желез. Если ворсинки кишечника уже разрушены, гуминовые кислоты проникают в субэпителиальную ткань, и способствуют их восстановлению.
Поскольку адсорбция гуминовыми кислотами включает не только физические, но и химические взаимодействия, образование комплексов и ионообмен, то она протекает более интенсивно и динамично по сравнению с обычными физическими адсорбентами. Как следствие, гуминовые кислоты способны в значительной мере снижать частоту диареи и других расстройств пищеварения, а также помогают избежать чрезмерной потери воды через кишечник при диарее.
Наружное, пероральное и подкожное применение гуминовых кислот способствует ослаблению воспалительного процесса. Они оказывают также тормозящее действие на синтез простагландинов. В экспериментах при аппликациях на кожу крыс гуминовыми кислотами, отмечалось повышение процессов пролифирации фибробластов, активизация водного, белкового и жирового обмена. В месте введения инъекции фракций гуминовых кислот, происходит стимулирующее влияние на активность ретикуло-гистиоцитарных клеточных элементов. Введение мышам с кожными дефектами инъекций гуминовых препаратов вызывает у них ускоренное заживление, а в тканях в месте ведения – активацию тканевой гиалуронидазы, которая определяет течение раневого процесса.
Гуминовые кислоты успешно нейтрализуют патогенную микрофлору кишечника, при одновременном подавлении воспаления и блокаде мест налипания патогенных возбудителей в слизистой кишечника. При этом патогенные кишечные палочки связываются ими на 94%, эндотоксины на 82%. Связанные гуминовыми кислотами бактерии и токсины выводятся естественным путём.
Гуминовые кислоты значительно усиливают фагоцитоз, что объясняется индуцирующим действием фенольных групп этих соединений. В экспериментах наблюдалось повышение фагоцитоза и бактериальной активности лизоцима в крови у морских свинок и кроликов при применении препаратов из гуминовых кислот.
Гуминовые кислоты, способны влиять на метаболизм белков и углеродов бактерий, катализируя этот процесс. Это приводит к прямому ускоренному разрушению клеток бактерий и вирусов. Бактерицидное действие гуминовых кислот, усиливается при воздействии ультрафиолетового облучения. Еще один антибактериальный механизм гуминовых кислот, связан с образованием ион-ионных связей с высокомолекулярными фрагментами белков (токсинов) инфекционных бактерий. Их токсический эффект на физиологические процессы клеток слизистых оболочек может быть значительно ослаблен или полностью нейтрализован.
В различных тестовых системах, гуминовые кислоты активно подавляют многие вирусы. Антивирусное действие гуминовых кислот, даже более выражено, чем антибактериальное, так как в биологической среде добавляется ещё их иммуномодулирующее действие на организм хозяина.
Одним из самых выраженных эффектов от применения гуминовых кислот, является усиление общего иммунного ответа. Присутствие полифенольных группировок придает этим препаратам стимулирующее действие на неспецифическую резистентность и иммунитет.
При иммунодефицитах, гуминовые кислоты регулируют количество и соотношение Т- и В-лимфоцитов, активизируют синтез ИЛ-1, ИЛ-2, индукцию эндогенного интерферона, гамма-глобулинов, что приводит к активации угнетенных функций иммунной системы. Доказано, что кислоты низкого молекулярного веса (фульвовая кислота) ингибируют протеазную активность, что представляет интерес для снижения метастатической активности раковых клеток.
От применения гуминовых кислот, повышается содержание общего белка и каротина в сыворотке крови у телят и коров, а также активация гемопоэза и повышение содержание гемоглобина в крови у свиней за счет повышения биодоступности железа. Гуминовые и фульвокислоты in vitro сокращают протромбиновое время плазмы человека.
Способность гуминовых кислот формировать хелатные комплексы с тяжелыми металлами, позволяет использовать их для выведения тяжелых металлов из организма. Аналогичные комплексы гуминовых кислот формируют с холестерином, что делает их эффективными в борьбе с атеросклерозом и его последствиями. Было также доказано адсорбтивное действие гуминовых кислот, по отношению к нитратам, нитритам, флюоридам, органофосфатам, хлорорганичеким инсектицидам, карбарилу и варфарину.
Гуминовые кислоты, обладают радиопротекторными свойствами. Так, исследования, проведенные на химическом факультете МГУ с целью выявить способность гуминовых кислот к нейтрализации радиоактивных агентов, показали, что гуминовые вещества оказались способны сорбировать плутоний почти на 95%.
Особо отмечено отсутствие каких-либо побочных эффектов и полное выведение гуминовых кислот из организма. Гуминовые кислоты, не проявляют тератогенных, мутагенных, эмбриотоксических и канцерогенных свойств.
